密閉有壓輸水系統(tǒng)泵組聯(lián)合啟動數(shù)值模擬研究

王國卿

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

大伙房水庫輸水(二期)工程為遼寧省長距離、多目標(biāo)、大流量、全線密閉、有壓輸水管道系統(tǒng)，全線約261km，自上而下設(shè)撫順、沈陽1、沈陽2、遼陽、鞍山和營盤6座配水站及8座雙向穩(wěn)壓塔，管線中間無任何調(diào)蓄設(shè)施，整個輸水系統(tǒng)屬于有壓密閉系統(tǒng)。

其中，鞍山配水站分三路向鞍山市、大連、營口盤錦方向輸水，目前大連支線為加壓供水方式。來水經(jīng)過鞍山站，經(jīng)1×DN2800、長度700m的PCCP管線直接進(jìn)入大連泵站進(jìn)行加壓，泵前無調(diào)蓄設(shè)施。站內(nèi)共設(shè)6臺泵組，3臺變頻泵組(2#、3#、4#)和3臺工頻機(jī)組(1#、5#、6#)，單臺設(shè)計(jì)流量均為22.5萬m3/d。當(dāng)前大連支線日供水量65萬m3，3臺變頻泵組運(yùn)行。大連支線管線全長120km，DN2800PCCP管，設(shè)計(jì)壓力為1.5倍承壓能力。

對于有壓管道輸水，依據(jù)水力學(xué)非恒定流理論，當(dāng)輸水系統(tǒng)加壓泵組開機(jī)、管道閥門短時間內(nèi)啟閉將產(chǎn)生水擊，導(dǎo)致液體內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度迅速交替升降。如果不能合理設(shè)置泵組啟動方式、閥門開度和開關(guān)時間以及正確選用不同泵組運(yùn)行組合，這種交替升降的壓力波將嚴(yán)重危及輸水系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此，泵組的啟動以及工頻、變頻泵組混用的聯(lián)合啟動過程研究對管線系統(tǒng)的安全具有重要的意義。

1 泵組運(yùn)行方案設(shè)定

1.1 泵后閥門調(diào)控設(shè)置

啟泵過程：泵后液控閥15s線性開閥至全開，工頻泵組泵后檢修閥開度為15°。

停泵過程：泵后液控閥關(guān)閉時間為：第一階段5s，快關(guān)70%開度；第二階段40s，慢關(guān)30%開度。

1.2 啟動調(diào)度方案設(shè)定

(1)4#變頻泵組停機(jī)，調(diào)整2#、3#變頻泵組，控制供水量至45萬m3/d以下；啟動5#工頻泵組，調(diào)整2#、3#變頻泵組，使2#、3#、5#泵供水量至75萬m3/d；再啟動4#變頻機(jī)組，調(diào)整2#、3#、4#變頻機(jī)組使2#、3#、4#、5#四臺機(jī)組供水量至78萬m3/d。

(2)2#、3#變頻泵組停機(jī)，4#變頻泵控制供水量至25萬m3/d以下；啟動1#工頻泵組，調(diào)整1#和4#泵，使兩臺泵供水量至45萬m3/d以下；啟動2#變頻機(jī)組，停4#變頻機(jī)組，調(diào)整2#變頻機(jī)組，使1#、2#機(jī)組日供水量至45萬m3/d；再啟動5#工頻泵組，調(diào)整1#、2#、5#泵組，使三臺泵供水量達(dá)到75萬m3/d；最后啟動4#變頻機(jī)組，調(diào)整1#、2#、4#、5#機(jī)組使四臺機(jī)組日供水量至78萬m3/d。

2 水力過渡過程數(shù)學(xué)模型

輸水管道系統(tǒng)中的水力過渡過程，即對水擊作用進(jìn)行數(shù)值研究，本文采用特征線法進(jìn)行數(shù)值模擬：

式中，B=a/(gA),R=fΔx/(2gdA2);a—水擊傳播速度；g—重力加速度；A—某管道截面面積；f—摩阻系數(shù)；—某管道分段長度；d—某管道截面直徑；M、P、Q—某管道的連續(xù)3個截面；Q—某管道截面流量；H—某管道截面壓力水頭。

管道系統(tǒng)邊界點(diǎn)主要包括管道末端、泵閥端及各種水錘防護(hù)設(shè)備端等，其邊界方程基于邊界點(diǎn)水頭平衡方程。邊界節(jié)點(diǎn)的定解關(guān)系由能量守恒以及質(zhì)量守恒關(guān)系確定，即在邊界節(jié)點(diǎn)處滿足水頭相等且流量守恒。加壓泵站邊界引入水泵特性曲線來反映水泵過流量與泵揚(yáng)程之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)方程表示為：

H=a1Q+a2Q2+Hs

式中，Hs—水泵斷流水頭；水泵過流量Q由泵后蝶閥在某時刻t的開度τ確定。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 方案一模擬

(1)停4#變頻機(jī)組，2、3#變頻機(jī)組控制供水量至供水量45萬m3/d以下，立即開啟5#恒速機(jī)組，調(diào)整2、3#變頻機(jī)組，使2、3、5三臺機(jī)組供水量至75萬m3/d。該過程模擬結(jié)果如圖1—2所示。

圖1 75萬大連支線壓力包絡(luò)線

圖2 75萬水泵出水管壓力流量曲線

(2)開啟4#變頻機(jī)組，調(diào)整2、3、4#變頻機(jī)組使2、3、4、5#四臺機(jī)組供水量至78萬m3/d。該過程模擬結(jié)果如圖3—4所示。

圖3 78萬大連支線壓力包絡(luò)線

圖4 78萬水泵出水管壓力流量曲線

由圖1—4可見，2臺變頻+1臺工頻泵工況下，隨著泵，泵組出口壓力降低，70s后壓力和流量相應(yīng)達(dá)到最低；工頻泵組啟動后瞬間流量超75萬m3/d，調(diào)節(jié)變頻泵組后趨于穩(wěn)定，320s時管線出現(xiàn)最大壓力129.8m，流量相應(yīng)波動。后續(xù)增量過程壓力、流量無大波動，240s時壓力值未超120m。

整個計(jì)算過程全線最大壓力(自由水頭)基本在管線承壓范圍內(nèi)，最大壓力為129.8m(樁號12+140.45處)，未超過正壓上限1.5倍承壓能力，最小壓力為-2.2m(樁號0+393.88處)，在負(fù)壓下限-10m以內(nèi)，滿足水錘防護(hù)要求。

3.2 方案二模擬

(1)鞍山泵站首先停2#、3#變頻機(jī)組，4#變頻機(jī)組控制供水量至日供水量25萬m3/d以下，立即開啟1#恒速機(jī)，調(diào)整1#和4#機(jī)組，使兩臺機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，日供水量至45萬m3/d以下。該過程模擬結(jié)果如圖5—6所示。

圖5 45萬大連支線壓力包絡(luò)線

圖6 45萬水泵出水管壓力流量曲線

(2)開啟2#變頻機(jī)組，停4#變頻機(jī)組，調(diào)整2#變頻機(jī)組，使1#、2#機(jī)組日供水量至45萬m3/d。該過程模擬結(jié)果如圖7—8所示。

圖7 輪泵過程大連支線壓力包絡(luò)線

圖8 輪泵過程水泵出水管壓力流量曲線

(3)開啟5#恒速機(jī)組，調(diào)整1#、2#、5#機(jī)組，使日供水量達(dá)到75萬m3/d；再啟動4#變頻機(jī)組，調(diào)整1#、2#、4#、5#機(jī)組使四臺泵組日供水量至78萬m3/d。

圖9 78萬大連支線壓力包絡(luò)線

圖10 78萬水泵出水管壓力流量曲線

由圖5—6可見，在1臺變頻+1臺工頻泵工況下，工頻泵組的啟動全程壓力為超管線承壓能力，但水泵出口管線壓力波動頻繁、持續(xù)時間長，在800s后才趨于平穩(wěn)。

比較圖5—8可見，變頻泵組的輪換對系統(tǒng)壓力、流量的影響較小，全程壓力波動點(diǎn)集中，泵后壓力波動幅度在10m左右，操作過程的有效調(diào)節(jié)控制十分關(guān)鍵。

由圖9—10可見，1臺變頻+2臺工頻泵聯(lián)合增量至75萬m3/d時，基本全程管線壓力超出承壓范圍，在240s時樁號0+808.10處出現(xiàn)最大壓力149.9m(未超過正壓上限1.5倍承壓能力)，工頻泵組啟動瞬間泵后管線樁號119+695.9處出現(xiàn)最小壓力-2.5m(在負(fù)壓下限-10m以內(nèi))；后續(xù)啟動變頻泵組由75萬m3/d增至78萬m3/d過程，壓力變化與方案一中情形基本一致。

綜合方案一、二，在變頻和工頻泵組不同組合聯(lián)合運(yùn)行時，工頻泵組的啟動過程，對系統(tǒng)壓力波動較變頻泵組更為明顯。在工況一下泵組聯(lián)合啟動時，瞬時最大壓力較工況二大20.1m，最小負(fù)壓增加0.3m，因此水擊風(fēng)險(xiǎn)更高。但由于二者均未超管線設(shè)計(jì)壓力，可認(rèn)為起、停泵過程閥門開度和開關(guān)時間設(shè)置合理。

4 結(jié)語

加壓泵站是水利輸配水系統(tǒng)中常用的加壓設(shè)施，如何既能實(shí)現(xiàn)加壓目的，又能最大限度保證供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是泵組設(shè)置的核心要素。本文結(jié)合大伙房水庫密閉有壓輸水系統(tǒng)大連支線串聯(lián)加壓泵站不同泵組運(yùn)行工況的數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)泵組出口液控閥的開關(guān)方式及時間設(shè)置直接影響水錘和負(fù)壓的產(chǎn)生及程度。開閥建議不超過20s，關(guān)閥分階段執(zhí)行，快關(guān)時間在6s左右為宜，關(guān)閥不超80%，慢關(guān)時間根據(jù)水錘時間確定。

(2)在密閉有壓系統(tǒng)中，工頻泵組參與運(yùn)行調(diào)節(jié)大大增加了輸水系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，在泵組啟動的前360s內(nèi)，泵后壓力出現(xiàn)從最小到最大的波動；變頻泵組的啟停及輪換過程波動影響較小，泵后壓力波幅度在操作過程可人為有效調(diào)節(jié)控制。

(3)在目標(biāo)供水量相同的情況下，啟動3臺變頻+1臺工頻泵和啟動2臺變頻+2臺工頻泵工況，泵后管線最大壓力升高20.1m，最小負(fù)壓增加0.3m，水擊風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。

(4)建議在有壓密閉輸水系統(tǒng)中，特別是不設(shè)調(diào)蓄設(shè)施的加壓泵站應(yīng)盡量采用變頻泵組，慎用工頻泵組，這對后續(xù)的運(yùn)行管理至關(guān)重要。